Dark Matter Inelastic Scattering with Nuclei for Direct Detection

Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach der unsichtbaren Substanz, die den Großteil der Materie in unserem Universum ausmacht. Sie nennen sie Dunkle Materie, und obwohl sie sie nicht direkt sehen können, glauben sie, dass sie überall ist und durch den Raum zwischen Sternen und Planeten driftet. Die führende Theorie besagt, dass diese Dunkle Materie aus schweren, langsam beweglichen Teilchen besteht, die nur selten mit gewöhnlicher Materie interagieren. Um einen Blick auf sie zu erhaschen, haben Wissenschaftler massive Detektoren tief unter der Erde gebaut, die mit Tonnen von flüssigem Xenon gefüllt sind. Die Idee ist einfach: Wenn ein Teilchen der Dunklen Materie gegen ein Xenonatom stößt, sollte es dem Atom einen winzigen Stoß versetzen, was einen Lichtblitz erzeugt, den empfindliche Sensoren aufzeichnen können. Jahrelang konzentrierten sich Forscher auf die häufigste Art des Aufpralls, bei dem das Teilchen der Dunklen Materie auf das Atom trifft und abprallt, wobei das Atom in seinem normalen, ruhigen Zustand verbleibt. Dies ist als elastische Streuung bekannt.

Es gibt jedoch eine andere Möglichkeit, die bis jetzt weitgehend übersehen wurde. Genau wie eine Billardkugel eine andere Kugel so stark treffen kann, dass sie zu rotieren oder zu vibrieren beginnt, könnte ein Teilchen der Dunklen Materie ein Xenonatom mit so viel Energie treffen, dass es in einen höheren, angeregten Zustand versetzt wird. Dies wird als inelastische Streuung bezeichnet. In diesem Szenario prallt das Atom nicht nur zurück; es behält auch etwas der Energie bei und wartet darauf, sie später freizusetzen, während es sich wieder in seinen Grundzustand begibt. Da die Energie, die erforderlich ist, um das Atom „anzuschütteln“, spezifisch ist, tritt dieser Prozess nur auf, wenn das Teilchen der Dunklen Materie schnell genug und schwer genug ist. Lange Zeit nahmen Wissenschaftler an, dass diese „erschütterten“ Atome zu selten wären, um von Bedeutung zu sein, oder dass sie zu schwierig zu berechnen wären. Doch eine neue Studie deutet darauf an, dass das Ignorieren dieser zweiten Art von Kollision ein schwerwiegender Fehler sein könnte, der potenziell genau das Signal verbirgt, nach dem die Forscher suchen.

Ein Team von Forschern der Shanghai Jiao Tong University und der Beihang University hat einen neuen Blick darauf geworfen, wie Dunkle Materie mit Xenonatomen interagiert, wobei sie sich speziell auf diese angeregten Zustände konzentrierten. Sie erkannten, dass man einen sehr detaillierten Plan der internen Struktur des Atoms benötigt, um zu verstehen, was während einer Kollision im Inneren des Atoms geschieht. Frühere Studien verwendeten eine Methode namens Kernschalenmodell, die das Atom wie ein Gebäude mit einer festen Anzahl von Räumen behandelt, in denen Teilchen leben. Obwohl diese Methode nützlich ist, wird sie für schwere Atome wie Xenon sehr schwierig anzuwenden, da die Anzahl der möglichen Anordnungen zu groß wird, um sie ohne vereinfachende Kürzungen zu handhaben. Das neue Team verwendete einen moderneren und leistungsfähigeren Ansatz namens relativistische Konfigurationsinteraktions-Dichtefunktionaltheorie. Diese Methode behandelt jedes einzelne Teilchen im Atom als aktiven Teilnehmer, was ein viel vollständigeres und genaueres Bild davon ermöglicht, wie sich das Atom bei einem Aufprall verhält.

Ihre Berechnungen ergaben, dass der inelastische Kanal kein nebensächlicher Hinweis ist; für bestimmte Arten von Wechselwirkungen der Dunklen Materie kann er genauso wichtig sein wie der elastische Kanal, und in einigen spezifischen Fällen sogar tausendmal stärker. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn Dunkle Materie auf die zwei spezifischen Arten von Xenonatomen trifft, die einen Kernspin besitzen, das Atom in ein höheres Energieniveau versetzt werden kann. In einigen Szenarien ist das Signal dieser angeregten Atome so stark, dass es die gesamte Wechselwirkung dominiert und die standardmäßigen elastischen Kollisionen in den Schatten stellt. Darüber hinaus entdeckten sie, dass es nicht nur der erste angeregte Zustand ist, der zählt. Wenn das Teilchen der Dunklen Materie schwer genug ist, kann es das Atom sogar in noch höhere Energieniveaus stoßen, und diese höheren Zustände können signifikant zu der Gesamtzahl der detektierten Ereignisse beitragen. Tatsächlich ist in einigen Fällen das Signal aus dem zweiten angeregten Zustand fast so stark wie das Signal aus dem ersten.

Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse sind tiefgreifend für laufende Experimente wie den LUX-ZEPLIN (LZ) Detektor, der kürzlich ein einzelnes Ereignis meldete, das wie eine Kollision mit Dunkler Materie aussah. Die Energie dieses Ereignisses war recht hoch, etwa 248 Kiloelektronenvolt. Vorherige Analysen gingen davon aus, dass es sich bei diesem Ereignis um eine elastische Kollision handelte, und versuchten, dies mithilfe älterer Berechnungsmethoden zu erklären. Als das neue Team jedoch ihr genaueres Modell auf dieses spezifische Ereignis anwandte, änderte sich das Bild dramatisch. Ihre Berechnungen zeigten, dass die Wahrscheinlichkeit, ein solch energiereiches Ereignis durch eine standardmäßige elastische Kollision zu beobachten, tatsächlich viel geringer ist als bisher angenommen. Stattdessen legt das neue Modell nahe, dass die Ereignisrate bei dieser Energie vom inelastischen Kanal dominiert wird, aber selbst dann ist die vorhergesagte Anzahl der Ereignisse weitaus geringer als das, was die älteren Modelle suggerierten. Dies bedeutet, dass das von der LZ-Kollaboration beobachtete Einzelereignis kein Zeichen für Dunkle Materie sein könnte, oder zumindest nicht die Art von Dunkler Materie, die getestet wurde.

Die Studie hebt auch ein tiefer liegendes Problem bei der Interpretation von Daten aus diesen Detektoren hervor. Die Form des Signals – die Art und Weise, wie sich die Anzahl der Ereignisse mit der Energie des Rückstoßes verändert – sieht je nach der verwendeten Berechnungsmethode sehr unterschiedlich aus. Die ältere Methode sagte einen Peak in der Anzahl der Ereignisse genau in dem Energiebereich voraus, in dem der LZ-Detektor sein Signal sah. Die neue, detailliertere Methode sagt hingegen ein Tal in genau dieser Region voraus, wobei das Signal dort tatsächlich seinen Tiefpunkt hat. Dieser Unterschied ist kein kleiner Fehler; es ist ein Faktor von fünfundzwanzig. Sollten die neuen Berechnungen korrekt sein, ist das beim LZ beobachtete Signal viel schwerer als Entdeckung Dunkler Materie zu erklären, da der erwartete Hintergrund durch Dunkle Materie viel niedriger ist als zuvor angenommen.

Letztendlich dient diese Arbeit als entscheidende Erinnerung daran, dass die Werkzeuge zur Interpretation experimenteller Daten genauso wichtig sind wie die Daten selbst. Durch die Verwendung eines anspruchsvolleren Weges, um den Atomkern zu modellieren, haben die Forscher gezeigt, dass die Regeln, die bestimmen, wie Dunkle Materie mit Materie interagieren könnte, komplexer und vielfältiger sind als bisher angenommen. Sie haben demonstriert, dass das Ignorieren der Möglichkeit, dass Atome in angeregte Zustände versetzt werden, dazu führen kann, dass Wissenschaften einen großen Teil der Geschichte übersehen oder umgekehrt eine zufällige Fluktuation als Entdeckung missverstehen. Wenn Detektoren empfindlicher werden und in der Lage sind, diese subtilen Details zu sehen, wird die Notwendigkeit ebenso präziser theoretischer Modelle kritisch. Die Jagd nach Dunkler Materie besteht nicht nur darin, größere Tanks mit flüssigem Xenon zu bauen; es geht auch darum, den komplizierten Tanz der Teilchen im Inneren dieser Atome mit einer Klarheit zu verstehen, die nur die fortschrittlichsten Theorien bieten können.